本研究旨在探索一种基于光学定位引导的机械臂医用穿刺方法,探讨结构光视觉定位在机械臂穿刺引导中的精度,并建立一种基于术中需求的穿刺机构位姿约束方法,以及设计了一种规避部分奇异点的方法,并进行了实验验证和讨论。为了实现本研究中机械臂穿刺规划的目的,根据相关领域国内外研究现状分析,结合实验室条件,采用了六自由度的UR3机械臂为模型,利用D-H参数法对其建立数学模型,进行运动学分析,利用蒙特卡洛法分析机械臂的可达工作空间,为后续机械臂的控制等研究提供理论基础。在机械臂选型和控制基础上,本研究探讨了结构光视觉作为光学定位引导机械臂穿刺的精度和可行性,采用了英特尔的结构光相机作为视觉定位硬件设备,并对其进行内外参标定,采用“眼在手上”的机械臂视觉定位方式完成手眼标定,利用ArUco库中的二维码标记,对腰椎凝胶模型表面实验定位点进行相机定位与机械定位比较,以机械定位为参考计算结构光引导机械臂的定位误差。同时,本研究开展了基于穿刺末端装置的奇异点位置与位姿约束研究,根据术中穿刺系统的人机交互场景,建立了基于穿刺方向与穿刺末端结构设计的位姿约束方法,并通过对空间向量的分析建立了相应的空间位姿计算数学模型。为有效规避部分奇异点,设计了一种沿固定轴小角度旋转提供多组位姿的方法,并通过罗格里德斯公式建立了该方法的数学模型。通过设置不同角度的穿刺路径,并利用机械定位得到穿刺的进针点和靶点,对上述方法进行实验验证。实验结果表明,根据得到的多组机械臂穿刺姿态实现了有效规避可能的奇异点,证明了约束方法的可行性。通过以上的实验,本研究实现了基于结构光空间定位引导机械臂进行穿刺规划,设计了一种“眼在手上”的视觉辅助穿刺模块,建立了一种新的位姿约束方法模型。由于视觉模块选型和标定以及加工精度等因素影响,定位精度尚存在改进的空间,位姿约束和引导在大量实验下可进一步优化。相对于传统的定位方法与光学定位产品,本研究中建立的基于结构光的机械臂穿刺引导系统具有一定的可行性和临床应用前景。